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為能源轉(zhuǎn)型做好準(zhǔn)備:聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠的氫考慮
作者:官方 來源:energynorthwest.com 所屬欄目:其他 發(fā)布時(shí)間:2021-10-30 19:36
[ 導(dǎo)讀 ]繼《歐洲綠色協(xié)議》之后,歐盟制定了到2050年實(shí)現(xiàn)氣候中和的目標(biāo),這與美國和許多其他加入《巴黎協(xié)議》的國家很相似。為了實(shí)現(xiàn)這...

繼《歐洲綠色協(xié)議》之后,歐盟制定了到2050年實(shí)現(xiàn)氣候中和的目標(biāo),這與美國和許多其他加入《巴黎協(xié)議》的國家很相似。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),溫室氣體的排放不能超過捕獲和存儲(chǔ),這意味著化石燃料將不可避免地需要逐步淘汰。在發(fā)電方面,氫被視為聯(lián)合循環(huán)電廠的潛在燃料,可以提供可靠的、無碳排放的可調(diào)度電力。

SS&A電力咨詢公司最近對電力公司、設(shè)備供應(yīng)商、EPC(工程、采購和建設(shè))承包商、投資者、石油和天然氣公司和顧問進(jìn)行了一項(xiàng)調(diào)查,59%的參與調(diào)查的公司表示,氫在公司未來的戰(zhàn)略中扮演著重要或非常重要的角色,62%的公司表示,他們正專注于在燃?xì)廨啓C(jī)上的應(yīng)用。在過去的一年里,宣布新的氫開發(fā)和投資計(jì)劃的數(shù)量呈指數(shù)級增長。在這篇文章中,將討論聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)氫燃料的考慮和機(jī)會(huì)。

為能源轉(zhuǎn)型做好準(zhǔn)備:聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠的氫考慮

氫的能量密度

燃?xì)廨啓C(jī)的體積氫含量與碳強(qiáng)度之間存在非線性關(guān)系(圖1)。氫氣的能量密度低于天然氣。如果在熱含量的基礎(chǔ)上進(jìn)行比較,氫氣的熱含量與碳強(qiáng)度之間的關(guān)系是線性的。其結(jié)果是,體積氫含量的低百分比對減少二氧化碳排放的影響很小。如果降低碳足跡是目標(biāo),那么更可取的是盡快將體積氫含量提高到100%。


燃?xì)廨啓C(jī)燃燒氫氣的挑戰(zhàn)

在燃?xì)廨啓C(jī)中燃燒氫氣的挑戰(zhàn)來自于氫氣不同于天然氣的特性,如增加的反應(yīng)性、點(diǎn)火延遲時(shí)間和熱聲特性。從表1中可以看出,氫的性質(zhì)通常與傳統(tǒng)燃料有很大的不同。這并不一定是一件壞事,但它確實(shí)需要考慮到在燃?xì)廨啓C(jī)中有效地燃燒氫。

為能源轉(zhuǎn)型做好準(zhǔn)備:聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠的氫考慮

在氫燃燒過程中,由于氫的反應(yīng)性增加,火焰位置有更大的向上移動(dòng)的趨勢。如果不加以考慮,則會(huì)增加回閃的風(fēng)險(xiǎn),對上游組件造成損害。目前的燃燒系統(tǒng)經(jīng)常通過改變?nèi)剂蠀?shù)來降低閃回風(fēng)險(xiǎn)。

此外,當(dāng)氫含量較高時(shí),較低的點(diǎn)火延遲時(shí)間會(huì)增加不必要的自燃風(fēng)險(xiǎn)。其次,與天然氣相比,氫燃燒時(shí)的熱聲幅值和頻率也不同,這可能對燃燒穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

此外還出現(xiàn)了幾個(gè)較小的挑戰(zhàn)。氫氣的體積低熱值(LHV)低于天然氣,這意味著在相同的火電功率下,需要更大的體積流量運(yùn)行。燃燒氫氣也會(huì)增加廢氣中的水分含量,導(dǎo)致向熱氣體路徑組件的傳熱增加,這將需要更多的冷卻。水分含量的增加也會(huì)使熱腐蝕更容易發(fā)生,可能會(huì)降低某些部件的壽命。

工廠對氫氣準(zhǔn)備的考慮

氮氧化物的排放。在聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)中燃燒氫,由于氫的火焰溫度較高,會(huì)導(dǎo)致較高的氮氧化物排放。因此,在現(xiàn)有聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠引入氫氣可能會(huì)導(dǎo)致氮氧化物排放超標(biāo)。選擇性催化還原(SCR)可能是解決NOx生成問題的一種改進(jìn)方案。通過催化還原過程,NOx轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂退Mǔ?,氨或氨的衍生物被用作還原劑。還原劑被加入到煙氣中,并與催化劑反應(yīng)。

可控硅系統(tǒng)的局限性包括污染、堵塞和有限的壽命。當(dāng)溫度較低時(shí),不會(huì)發(fā)生NOx的還原,導(dǎo)致氨在通過SCR未反應(yīng)時(shí)發(fā)生滑移。對于現(xiàn)有的發(fā)電廠,如果安裝了現(xiàn)有的SCR功能,可能有一定的能力接受氮氧化物排放的增加。否則,改造可控硅或增加已安裝可控硅的容量可能提供一個(gè)解決方案。

燃燒系統(tǒng)在燃燒氫氣而不超過NOx限制方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在燃燒系統(tǒng)中經(jīng)常使用的減少NOx生成的方法是減少燃料噴射,在預(yù)混燃燒器中使用更少的混合燃料,或者在擴(kuò)散燃燒器中使用惰性成分進(jìn)行預(yù)混。上述方法導(dǎo)致較低的火焰溫度,但不幸的是,也較低的出口溫度,因此導(dǎo)致性能略有下降。

當(dāng)蒸汽被用作稀釋劑時(shí),擴(kuò)散燃燒器已經(jīng)能夠處理富氫燃料,甚至是純氫燃料。然而,使用蒸汽作為稀釋劑將需要大量的高純水,產(chǎn)生蒸汽需要額外的能量,并且由于熱傳遞增加,可能增加熱氣體路徑部件的壓力。因此,預(yù)混燃燒室干式低nox (DLN)技術(shù)是目前氫渦輪研究的重點(diǎn)。DLN技術(shù)的最新發(fā)展已經(jīng)證明,能夠在h級渦輪機(jī)中使用含有高達(dá)50vol%氫氣的燃料,并可達(dá)到100vol%的能力。

空間。當(dāng)一個(gè)傳統(tǒng)的天然氣渦輪機(jī)被改裝以燃燒氫氣時(shí),需要做一些調(diào)整。改變包括拓寬管道和改變材料,以適應(yīng)更高的體積流量和防止氫脆。在改造過程中,并不總是有空間容納更寬的管道,因此,如果將來工廠有可能靠氫氣運(yùn)行,建議建造更大直徑的管道,以容納所需的氫氣量。如果渦輪機(jī)需要提升中軸以適應(yīng)更寬的管道,那么對系統(tǒng)進(jìn)行氫改造在經(jīng)濟(jì)上可能是不可行的。

由于氫的體積能量含量比天然氣低3倍左右,所以在同等能量含量的情況下,氫占據(jù)的空間會(huì)更大。在現(xiàn)場儲(chǔ)存一些氫氣,即使在氫氣供應(yīng)中斷的情況下,仍可連續(xù)運(yùn)行,這可能是有利的。這可能會(huì)影響工廠的總體布局,并需要額外的空間,因?yàn)檫€需要在儲(chǔ)氫罐周圍設(shè)置安全區(qū)。

阻礙富氫燃料發(fā)展的一個(gè)經(jīng)常被忽視的問題是,公用事業(yè)規(guī)模的燃?xì)鉁u輪機(jī)所需的大量氫氣供應(yīng)。目前的電解廠不能持續(xù)地為大型廠提供氫氣,使其以高氫燃料運(yùn)行。例如,目前,NEL M5000,一種較大的現(xiàn)成的氫電解槽,只能提供大約1.2%的氫來運(yùn)行571兆瓦的GE 9HA。02渦輪由100%氫氣驅(qū)動(dòng)。隨著市場對氫氣的適應(yīng),這一數(shù)字必然會(huì)增加,但如果氫在現(xiàn)場電解,則需要考慮空間問題。

管道。在管道輸送氫氣時(shí),必須考慮輸送壓力和溫度,以避免氫氣在管道和輔助設(shè)備中發(fā)生脆化。氫氣通常被壓縮到35巴至150巴之間用于管道傳輸;然而,為許多終端用戶提供氣體的分配系統(tǒng)通常在壓力小于7巴的情況下運(yùn)行。直徑較大的管道在較低的壓力下可以提供相同質(zhì)量的流量。

在石油和天然氣應(yīng)用中遇到的最大溫度為50 bar和100℃時(shí),不銹鋼設(shè)備中不會(huì)發(fā)生氫脆,但將溫度提高到200℃左右可能會(huì)導(dǎo)致H2通過材料遷移。這可能是一個(gè)問題,當(dāng)預(yù)熱氫氣是為了提高性能,盡管316L級不銹鋼被認(rèn)為是非常適合減少這一影響。

如果加以考慮,很容易避免設(shè)備的氫脆。在燃?xì)廨啓C(jī)中,可能需要實(shí)施新的燃燒系統(tǒng),這將需要新的燃料附件管道和閥門。為了容納更小的氫分子,可能還需要安裝新的燃料橇。

新安裝的低壓氣體分配管道通常由聚乙烯或纖維增強(qiáng)聚合物制成。如果這些管道已經(jīng)到位,或者只需要運(yùn)輸氫氣和天然氣的混合物,只需要做很小的改變。在輸送純氫的時(shí)候需要更多的考慮。

燃料處理。在處理氣體時(shí)也需要考慮一些問題。由于氫是一種非常輕的氣體,它的分子非常小,以至于它可以擴(kuò)散到一些材料中,包括某些類型的鋼鐵管道,從而增加了它們失效的幾率。體積較小的氫分子也比體積較大的分子(如天然氣)更容易通過密封件和連接器逃逸。

氫氣是一種無毒氣體,但其火焰速度高、點(diǎn)火范圍廣、點(diǎn)火能量低,使其極易燃燒,且其浮力和擴(kuò)散系數(shù)高,消散速度快,降低了爆炸風(fēng)險(xiǎn)。氫無色無味,而且燃燒時(shí)的火焰肉眼看不到,這使得泄漏和火災(zāi)更難被探測到。氫的這些特性需要改變,以減輕安全問題。這些變化包括能夠檢測氫氣火焰的火焰探測器,以及由于燃料中天然氣含量減少而能夠檢測烴類含量減少的氣體的升級氣體傳感器。外殼和通風(fēng)系統(tǒng)可能需要改進(jìn),以減少爆炸和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

然而,在工業(yè)上使用氫已經(jīng)有幾十年的經(jīng)驗(yàn),包括在大型、專用的分配管道中,這些地點(diǎn)的安全處理協(xié)議已經(jīng)到位。在國際層面上,還沒有發(fā)布關(guān)于燃?xì)廨啓C(jī)氫氣操作的標(biāo)準(zhǔn)。

其他的考慮。除了上述考慮之外,還應(yīng)審查對現(xiàn)有工廠的其他適應(yīng)性。由于可能較高的廢氣能量,熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)可能需要調(diào)整,這可能是一項(xiàng)重大的資本支出??刂葡到y(tǒng)也可能需要進(jìn)行小的更新,這可能會(huì)影響燃?xì)廨啓C(jī)的性能,包括輸出和熱速率。如果工廠有長期服務(wù)協(xié)議,則需要與服務(wù)提供商討論燃料中氫含量的增加,因?yàn)檫@可能會(huì)增加維護(hù)成本。

當(dāng)改用氫含量更高的燃料時(shí)的考慮總結(jié)

由于其靈活性,改變?nèi)細(xì)廨啓C(jī)燃料可能與一些重新配置,允許使用現(xiàn)有的燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備。然而,所需變化的大小取決于燃料中氫的含量。低氫燃料的燃燒通常只需要很小的改變,但配置燃?xì)鉁u輪機(jī)只燃燒氫將需要對工廠進(jìn)行徹底的檢查。

如果新燃料將是天然氣中的氫的混合物,所需的變化可能僅限于控制裝置的更新和新的燃燒室燃料噴嘴。許多變體取決于應(yīng)用程序。需要在案例研究中評審所需的更改。表2顯示了聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠燃燒氫的主要考慮因素。

當(dāng)前的發(fā)展

一家為氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)鋪平道路的公司是瑞士的SS&A電力集團(tuán),專門從事燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)。G2P亞得里亞海AD是它的子公司之一,目前正在進(jìn)行一個(gè)項(xiàng)目,用一個(gè)200兆瓦的燃?xì)怆姀S取代黑山的一個(gè)老的燃煤電廠,并直接生產(chǎn)氫燃料。該項(xiàng)目的目標(biāo)是包括整個(gè)氫鏈,包括綠色氫的產(chǎn)生。

此外,SS&A電力咨詢公司正在為現(xiàn)有的工廠業(yè)主提供關(guān)于燃?xì)鉁u輪機(jī)用氫的建議,包括關(guān)于氫的改造選項(xiàng)的可行性研究。許多業(yè)主也把準(zhǔn)備氫氣作為新建聯(lián)合循環(huán)電廠的一個(gè)重要考慮因素。當(dāng)法規(guī)要求時(shí),或者當(dāng)它具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢時(shí),有能力轉(zhuǎn)換為氫氣,被視為一種“防未來”的燃?xì)饧夹g(shù),以確保電廠能夠長期保持競爭力。

隨著氫能在能源產(chǎn)業(yè)中站穩(wěn)腳跟,氫能的發(fā)展必然會(huì)接踵而至,增加經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的可行性,使氫能在綠色和強(qiáng)大的能源產(chǎn)業(yè)中得以實(shí)施。

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